[发明专利]专用机器人运动规划硬件及其制造和使用方法

说明书

本发明提供了专业的机器人运动规划硬件及其制造和使用方法。可以使用工具设计机器人特定的硬件，其接收一个机器人描述，其中包括机器人的碰撞几何形状、机器人的每个关节的自由度和机器人的关节限度；接收一个场景描述；使用所述机器人描述和所述场景描述生成概率路线图(PRM)；并且对于PRM的每个边缘，生成碰撞检测单元，其包括一个电路，指示与该边缘碰撞的障碍物的所有部分。所述硬件被实现为并行碰撞检测单元，其提供用于从被搜索的PRM中去除边缘的碰撞检测结果，以找到一个目标位置的路径。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年1月26日提交的美国临时专利申请序列号62/107,755的优先权，其全部内容通过引用并入本文，包括任何图形、表格和附图。

技术领域

本发明提供了专业的机器人运动规划硬件及其制造和使用方法。

背景技术

当今许多最令人兴奋的计算机应用是机器人技术。机器人的最新进展大大拓展了机器人改变人们生活方式的机会。机器人正在为广泛的现实应用开发，包括保健、个人援助、通用制造、搜索和救援以及军事行动。与机器人在严格控制的环境(例如在环境静止并且先验已知的装配线)上操作的传统机器人应用不同，这些应用需要机器人执行运动规划。

运动规划是确定机器人如何实现目标的过程。例如，机器人可能希望移动其臂以触及所期望的物体而不与其自身或任何其它物体相碰撞。执行运动规划以导航和操纵物体的能力对于处理没有严格控制或设计的自然环境至关重要。机器人首先感知关于其周围的物理世界的信息，然后计算机确定如何控制物理机器人，以便机器人可以在该感知的环境中导航。

在许多情况下，对机器人实用性的一个主要制约因素是他们在有障碍的环境中执行实时运动规划的能力。运动规划算法往往是计算密集型的，需要对每个运动进行大量的碰撞检查。用于碰撞检测的现有技术通常依靠运行在一个或多个通用处理器和/或图形处理单元(GPU)上的软件中实现。然而，通用处理器上的运行检测软件对于实时运动规划并不太快，并且/或对于许多目标应用程序来说太耗电(如果使用GPU)。

发明内容

提供专业的机器人运动规划硬件及其制造和使用方法。所描述的硬件可以解决实时运动规划的挑战。所描述的系统和方法可以采用特定的机器人并且生产能够对该机器人执行实时运动规划的低功率、低成本的硬件架构。

本文描述的机器人运动规划硬件可通过使用软件工具来设计，所述软件工具使用用于特定机器人的所接收到的机器人描述和接收的场景描述以生成概率路线图(PRM)。然后，对于PRM的每个边缘，软件工具为该边缘的碰撞检测单元生成一个设计。碰撞检测单元被实现为一种计算电路，以计算与该边缘相对应的运动是否与障碍点或表面相撞。特定机器人由其碰撞几何形状、每个关节的自由度及其关节限度来定义；并且在机器人描述中提供该信息。场景描述可以包括用于固定场景、障碍物的分布、启动机器人姿态的分布以及目标姿态的分布的参数。

对于特定机器人，可以提供一个运动规划硬件包括配置成并行处理输入的多个碰撞检测单元，每个碰撞检测单元具有用于其概率路线图的相应边缘的电路。电路可以包括布尔逻辑门和/或查找表。为了执行机器人运动规划，机器人在其运动规划硬件处接收从机器人的传感器系统捕获的环境数据和目标位置数据，并在运动规划硬件的每个碰撞检测单元处，输出一条指令判断对应于碰撞检测单元的概率路线图的边缘与环境数据中识别的障碍物的一部分是否碰撞。运动规划硬件的输出用于去除可能导致在环境中的碰撞的概率路线图的边缘。然后，可以执行概率路线图的图形搜索，以识别机器人的当前位置与沿概率路线图的剩余边缘的目标位置之间的最短路径。

本发明内容旨在以简化的形式介绍一些概念，这些概念在下面的详细描述中进一步描述。本发明内容不旨在标识所要求保护的对象的主要特征或基本特征，也不旨在用于限制所要求保护的对象的范围。

附图说明